PCBN車刀結(jié)構(gòu)與切削用量的優(yōu)化及試驗(yàn)研究①

鄒 娟，成照楠，鄒 芹，，李艷國，羅永安，王明智，齊效文

（1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島066004；2.亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島066004）

聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN）車刀具有硬度高、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，適合鑄鐵、淬硬鋼等黑色金屬的高速車削；其切削表面質(zhì)量可以媲美磨削加工表面，符合“綠色制造”的生產(chǎn)要求［1-2］。應(yīng)用有限元法對刀具結(jié)構(gòu)和切削性能進(jìn)行優(yōu)化模擬是目前PCBN刀具研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。國內(nèi)外許多學(xué)者研究了市售PCBN車刀結(jié)構(gòu)對切削效果的影響［3-11］，但很少綜合考慮PCBN車刀結(jié)構(gòu)因素與切削用量對加工性能的影響。本文建立了綜合考慮PCBN車刀全部結(jié)構(gòu)因素、切削用量因素的車刀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并檢驗(yàn)了基于優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的自制PCBN車刀的切削性能。

1 試 驗(yàn)

基于本課題組前期工作［12］，在TiN0.3和AlN結(jié)合劑基礎(chǔ)上添加不同微量組分TaC、WC、VC和ZrC等碳化物，用CS?IB型六面頂壓機(jī)高溫高壓燒結(jié)，制備出新型PCBN材料，其中cBN體積分?jǐn)?shù)50%的PCBN材料硬度達(dá)20.31 GPa［13］。本文通過正交模擬試驗(yàn)，找出60°刀尖角PCBN車刀最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及切削用量，然后按照優(yōu)化結(jié)果，以新型PCBN材料制造焊接式車刀，進(jìn)行精車45＃淬火鋼外圓試驗(yàn)；并在相同試驗(yàn)條件下使用某國產(chǎn)品牌PCBN車刀進(jìn)行精車45＃淬火鋼外圓試驗(yàn)。采用掃描電鏡觀察了切削過程中2種車刀的刀尖磨損情況。

1.1 仿真模型與邊界條件

根據(jù)文獻(xiàn)［14］，得出60°刀尖角PCBN車刀結(jié)構(gòu)參數(shù)及切削用量三要素的選用范圍，分別見表1～2，其中刃傾角λs保持0°不變。

表1 60°刀尖角PCBN車刀結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍

使用三維軟件按1∶1比例建立60°刀尖角PCBN車刀和45＃淬火鋼棒件的幾何模型，為提高運(yùn)算效率，在不影響結(jié)果的前提下重點(diǎn)分析刀尖與工件接觸區(qū)域，對幾何模型進(jìn)行簡化。車刀車削仿真幾何模型與簡化模型見圖1。

圖1 車刀車削仿真幾何模型與簡化模型

模擬試驗(yàn)用自制PCBN材料（cBN體積分?jǐn)?shù)50%）和45＃淬火鋼工件性能見表3。

表3 自制PCBN材料與45＃淬火鋼的性能

應(yīng)用Deform軟件進(jìn)行有限元分析，以拉格朗日增量方式模擬變形和熱傳導(dǎo)，變形求解方式用Sparse算法，并選用Newton?Raphson迭代。設(shè)置環(huán)境溫度20℃，測得摩擦系數(shù)為0.3，切削液導(dǎo)熱系數(shù)為0 W／（m2·K），空氣導(dǎo)熱系數(shù)為4.5×104W／（m2·K）［15］，仿真步數(shù)設(shè)置為8 000步，步長為0.01 s。PCBN車刀和工件采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，刀尖單元網(wǎng)格數(shù)為50 000，工件網(wǎng)格數(shù)為20 000，模擬獲得應(yīng)力場和溫度場結(jié)果。

1.2 模擬仿真正交試驗(yàn)方案

根據(jù)表1設(shè)計(jì)5個變量因子：前角γ0、后角α0、主偏角κr、刀尖圓弧半徑rs、鈍圓半徑ρ，每個變量因子在范圍內(nèi)選取4個水平數(shù)，建立五因子四水平正交表，如表4所示；60°刀尖角PCBN車刀不同結(jié)構(gòu)參數(shù)精車45＃淬火鋼外圓正交試驗(yàn)方案如表5所示。切削用量選取表2各參數(shù)的中間值，即vc＝155 m／min、f＝0.11 mm／r、ap＝0.255 mm。

表2 切削用量三要素選取范圍

表4 結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)因素水平表

表5 結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)方案

完成1～16號優(yōu)化試驗(yàn)，得到車刀最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以此建立車刀模型，再根據(jù)表2設(shè)計(jì)切削速度vc、進(jìn)給量f、背吃刀量ap等3個變量因子，每個變量因子在范圍內(nèi)選取4個水平數(shù)，建立三因子四水平因素表，見表6；不同切削用量三要素正交試驗(yàn)方案如表7所示。本文從最長車刀壽命和最優(yōu)加工質(zhì)量2個角度討論切削用量。

表6 切削用量正交試驗(yàn)因素水平表

表7 切削用量正交試驗(yàn)方案

1.3 車刀切削試驗(yàn)與表征分析

使用自制PCBN材料按最優(yōu)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)制成焊接式60°刀尖角車刀，對比國產(chǎn)某品牌同型號PCBN車刀，以最優(yōu)加工質(zhì)量的切削用量三要素，在CA6140車床上完成對直徑75 mm、硬度51.5 HRC的45＃淬火鋼棒外圓精車試驗(yàn)，然后對2種車刀的刀尖進(jìn)行SEM分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)車刀切削模擬結(jié)果與分析

利用Deform軟件依據(jù)表5進(jìn)行模擬獲得應(yīng)力場與溫度場仿真結(jié)果，其中試驗(yàn)1結(jié)果如圖2所示。各組結(jié)果記錄在表8中。

圖2 試驗(yàn)1模擬結(jié)果

表8 結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

對正交模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析計(jì)算，根據(jù)極差值R大小可以清楚地判斷各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度強(qiáng)弱，極差值越大，其所對應(yīng)的因素影響程度越強(qiáng)。極差分析結(jié)果見表9～10。

根據(jù)表9～10，從主切削力方面考慮，最佳參數(shù)為：γ0＝0°、α0＝20°、κr＝60°、rs＝0.5 mm、ρ＝0.1 mm；影響強(qiáng)弱次序?yàn)椋害眩緍s＞κr＞α0＞γ0。從切削溫度方面考慮，最佳參數(shù)為：γ0＝-10°、α0＝20°、κr＝30°、rs＝0.9 mm、ρ＝0.1 mm；影響強(qiáng)弱次序?yàn)椋害蕆＞γ0＞α0＞ρ＞rs。

表9 結(jié)構(gòu)參數(shù)主切削力極差分析結(jié)果

表13 切削用量三要素切削溫度極差分析結(jié)果

針對前角γ0、主偏角κr和刀尖圓弧半徑rs，分別計(jì)算在主切削力和切削溫度中2個最優(yōu)水平差值與極差的比，比值越大表示對應(yīng)參數(shù)影響權(quán)重越大。選擇比值大的參數(shù)水平，歸納60°刀尖角PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓最佳車刀結(jié)構(gòu)參數(shù)為：γ0＝-10°、α0＝20°、κr＝60°、rs＝0.5 mm、ρ＝0.1 mm。

2.2 不同切削用量模擬結(jié)果與分析

應(yīng)用前述最佳60°刀尖角PCBN車刀結(jié)構(gòu)，依據(jù)表7進(jìn)行不同切削用量三要素精車45＃淬火鋼外圓模擬仿真，結(jié)果見表11，極差分析結(jié)果見表12～13。

表11 切削用量三要素正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

根據(jù)表12～13，從主切削力角度確定最優(yōu)刀具耐用度方案為：vc＝60 m／min、f＝0.05 mm／r、ap＝0.15 mm；影響強(qiáng)弱次序?yàn)閍p＞f＞vc。從切削溫度角度確定最優(yōu)刀具耐用度方案為：vc＝60 m／min、f＝0.05 mm／r、ap＝0.25 mm；影響強(qiáng)弱次序?yàn)関c＞f＞ap。

表12 切削用量三要素主切削力極差分析結(jié)果

計(jì)算背吃刀量ap在主切削力和切削溫度中2個最優(yōu)水平差值與極差的比，綜合選出最優(yōu)刀具耐用度方案為：vc＝60 m／min、f＝0.05 mm／r、ap＝0.15 mm。

考慮到工件表面粗糙度和加工效率，進(jìn)給量f和背吃刀量ap應(yīng)盡量小，切削速度vc應(yīng)較高，vc分別交互f和ap，將各因素指標(biāo)交互結(jié)果記錄在表14和表15中。

表14 主切削力極差結(jié)果交互作用

表15 切削溫度極差結(jié)果交互作用

從切削速度水平vc＝250 m／min中選擇主切削力與切削溫度較低的結(jié)果，根據(jù)表14得出最優(yōu)加工質(zhì)量主切削力方案為：vc＝250 m／min、f＝0.1 mm／r、ap＝0.15 mm；根據(jù)表15得出最優(yōu)加工質(zhì)量切削溫度方案為：vc＝250 m／min、f＝0.05 mm／r、ap＝0.25 mm。

計(jì)算進(jìn)給量f和背吃刀量ap在兩個方案中最優(yōu)水平差值與極差的比，得到最優(yōu)加工質(zhì)量方案為：vc＝250 m／min，f＝0.05 mm／r，ap＝0.25 mm。

2.3 車刀試驗(yàn)

使用本課題組自制PCBN材料經(jīng)過切割、磨平、拋光、鈍化、焊接等工序制成焊接式60°刀尖角車刀，如圖3（a）所示，采購的同型號國產(chǎn)某品牌PCBN車刀如圖3（b）所示。按切削用量三要素vc＝250 m／min、f＝0.05 mm／r、ap＝0.25 mm，車削同一批次45＃淬火鋼工件外圓面，以工件加工量計(jì)算每只車刀連續(xù)車削時間為2 min。完成車削試驗(yàn)后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對刀尖的前刀面進(jìn)行分析，見圖4。

圖3 試驗(yàn)車刀

圖4 PCBN車刀車削后刀尖SEM圖

由圖4可知，自制PCBN車刀和某品牌車刀磨損區(qū)寬度分別為50 μm和90 μm，可以清晰地看到自制PCBN車刀前刀面磨損程度較小，某品牌PCBN車刀前刀面已有明顯磨損，判斷自制PCBN車刀耐磨性較優(yōu)。

2.4 討 論

刀尖的結(jié)構(gòu)直接影響車刀與工件的受力條件以及前刀面與切屑的接觸形式，從而影響車刀應(yīng)力和溫度結(jié)果［16］。從表9和表10可以看出，前角γ0對主切削力的影響程度較小，鈍圓半徑ρ的影響程度較大，主要因?yàn)檫M(jìn)給量f和背吃刀量ap相比刀尖圓弧半徑rs尺寸較小，γ0改變對刀尖與工件的接觸影響小，而f和ap與ρ尺寸相比較大，ρ的變化會較大程度改變刀尖與工件的接觸形式；而對切削溫度影響明顯的是主偏角κr，刀尖各面相對工件的姿態(tài)很大程度影響散熱。最優(yōu)前角是最小的負(fù)值γ0＝-10°，形成的切削刃較鈍，相對切削力較大，同時這種負(fù)前角結(jié)構(gòu)會將切削力從刀具邊緣移動至前刀面，使切削刃相對強(qiáng)度增加，能承受更大的載荷。最優(yōu)后角是最大值α0＝20°，可以減少刀具主后刀面與工件之間的摩擦和磨損。刀尖圓弧半徑rs＝0.5 mm、鈍圓半徑ρ＝0.1 mm，都是選取最小值，目的是降低切削力和減小切屑與車刀摩擦范圍，可擴(kuò)大參數(shù)范圍再減小rs和ρ，增加α0。

表10 結(jié)構(gòu)參數(shù)切削溫度極差分析結(jié)果

采購的PCBN車刀刃緣采用倒棱設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)較鈍圓結(jié)構(gòu)磨制更方便，也是市面主流形式，從試驗(yàn)結(jié)果看，倒棱邊角是磨損的薄弱環(huán)節(jié)，由于未使用自制材料設(shè)計(jì)倒棱結(jié)構(gòu)的刀型，不能獲得相關(guān)信息。

最長車刀壽命切削用量三要素都是取的最小參數(shù)，是通過降低加工效率來使刀具受力和溫度達(dá)到最小，而精車目的是使工件獲得高的表面質(zhì)量，還要考慮加工效率，所以最優(yōu)加工質(zhì)量切削用量三要素中選擇高的車削速度。60°刀尖角PCBN車刀適合較小進(jìn)給量、適中背吃刀量的精車削加工。

3 結(jié) 論

1）應(yīng)用Deform軟件正交模擬60°刀尖角PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓加工過程，得出最佳車刀結(jié)構(gòu)參數(shù)為：前角γ0＝-10°、后角α0＝20°、主偏角κr＝60°、刃傾角λ0＝0°、刀尖圓弧半徑rs＝0.5 mm、鈍圓半徑ρ＝0.1 mm，其中鈍圓半徑ρ對主切削力影響程度最大。

2）對不同切削用量三要素60°刀尖角PCBN車刀進(jìn)行精車45＃淬火鋼外圓正交模擬，得出最長車刀壽命切削用量三要素為：切削速度vc＝60 m／min、進(jìn)給量f＝0.05 mm／r、背吃刀量ap＝0.15 mm；最優(yōu)加工質(zhì)量切削用量三要素為：切削速度vc＝250 m／min、進(jìn)給量f＝0.05 mm／r、背吃刀量ap＝0.25 mm。

3）通過對比本課題組設(shè)計(jì)制造的焊接式60°刀尖角PCBN車刀與同型某品牌PCBN車刀切削45＃淬火鋼外圓后刀尖的微觀組織，確定自制PCBN車刀耐磨性能較好。